Светодиодный источник излучения
Изобретение относится к средствам светоизлучения и может быть использовано в системах освещения. Техническим результатом является расширение эксплутационных возможностей. Светодиодный источник излучения содержит корпус с установленными в нем, по меньшей мере, четырьмя полупроводниковыми излучателями света оптического диапазона, объединенными электрической цепью, в, по меньшей мере, один базовый элемент. Электрическая цепь выполнена в виде двухполупериодного моста из светодиодных источников излучения с включенной нагрузкой также из двух включенных последовательно светодиодных источников излучения. 10 з.п. ф-лы, 2 табл., 5 ил.
Изобретение относится к средствам светоизлучения и может быть использовано в системах освещения.
Широко известно применение в качестве источников наружного и внутреннего освещения ламп накаливания. Электрические и оптические характеристики некоторых моделей ламп наливания российского производства представлены в таблице 1.
| Таблица 1 | |||
| Типы ламп накаливания | Расчетное напряжение, В | Номинальные значения | |
| Мощность, Вт | Световой поток, лм | ||
| БК215-225-60-1 | 220 | 60 | 800 |
| Б215-225-75-1 | 220 | 75 | 960 |
| Б215-225-100-1 | 220 | 100 | 1400 |
Анализ представленных данных позволяет выявить один из существенных недостатков применения ламп накаливания в качестве источников освещения, а именно - их высокое энергопотребление (при параллельном включении ламп в электрические сети напряжением 127 и 220 В общая мощность потребления составляет порядка 1800 Вт для среднего жителя России).
Для решения подобной и иных проблем в последнее время все более широкое применение в качестве источников освещения находят светодиодные лампы на основе полупроводниковых излучателей, расчет электрических и оптических характеристик светодиодных ламп на основе полупроводниковых излучателей представлены в таблице 2.
| Таблица 2 | ||||
| Типы светодиод ных ламп |
Расчетное напряжение, В | Номинальные значения | Площадь радиатора, см2 | |
| Мощность, Вт | Световой поток, лм | |||
| ЛСД-6-12 | 12 | 6,0 | 600 | 120 |
| ЛСД-12-12 | 12 | 12,0 | 1200 | 240 |
| ЛСД-18-12 | 12 | 18,0 | 1800 | 360 |
Анализ представленных данных позволяет выделить ряд основных преимуществ светодиодных ламп на основе полупроводниковых излучателей над остальными источниками света, а именно:
надежность - в настоящий время светодиоды различных конструкций имеют срок службы до 50000 часов и более, в то время как лампы накаливания и люминесцентные лампы имеют срок службы не более 10000 часов;
световая отдача светодиодов в настоящий момент превышает 80 лм/Вт и постоянно растет, тогда как световая отдача ламп накаливания и люминесцентных ламп находится в пределах 10-120 лм/Вт;
излучение светодиодов близко к монохроматическому излучению и имеет широкий спектр цветов, что позволяет использовать их в различных устройствах без применения светофильтров.
Опыт применения полупроводниковых светодиодных источников излучения в различных системах освещения подтвердил вышеперечисленные преимущества таких источников над традиционными лампами накаливания, однако и выявил ряд специфических недостатков, обусловленных особенностями конструкции, а именно - необходимость постоянного отвода тепла от области P-N перехода для обеспечения стабильной работы источника излучения. Действительно, расчет тепловых сопротивлений для кристалла излучателя с помощью метода эквивалентов (Захаров А.Л., Асвадурова Е.И., Расчет тепловых параметров полупроводниковых приборов: Метод эквивалентов. - М.: Радио и связь, 1983. - 184 с.), а также расчет остальных тепловых сопротивлений на основе известных данных по теплопроводности слоев и геометрии излучателя с использованием известного уравнения теплопередачи
где: Q - рассеиваемая мощность, Вт;
k - теплопроводность, Вт/см·K;
А - площадь радиатора, см2;
Т - температура, K;
показал, что основная величина, определяющая отток тепла от кристалла излучателя на воздух, - площадь радиатора. Тепловое сопротивление на воздух любого излучателя площадью 1 см2 при свободной конвекции составляет ≈200 K/Вт. Таким образом, для эффективного отвода тепла от кристалла, площадь радиатора должна составлять не менее 100 см2.
Существующие способы отвода тепла от области P-N перехода заключаются либо в естественной конвекции с применением радиаторов и тепловых труб, либо применении импульсных источников питания. Однако увеличение тока через излучающий элемент, в импульсных системах питания, приводит к увеличению плотности тока и, как следствие, к резкому увеличению Оже-рекомбинации.
Частично проблема отвода тепла решена в известном патенте РФ на изобретение №2170995 светодиодном источнике излучения, содержащем несколько полупроводниковых излучателей света оптического диапазона, объединенных электрической цепью, в, по меньшей мере, один базовый элемент, держатель базового элемента с присоединительными выводами, покровную линзу и радиатор для отвода тепла от базового элемента. Однако недостатком подобных светодиодных источников излучения является наличие схем управления непосредственно в корпусе светодиодной лампы, работающих в импульсном режиме, что не позволяет, во-первых, в полной мере реализовать высокий внешний квантовый выход источника излучения, во-вторых, удорожает продукт и, в-третьих, снижает надежность лампы в целом, что видно на примерах светодиодных ламп и энергосберегающих ламп на основе паров ртути, когда причиной выхода лампы из строя является выход из строя элементов схемы.
Задача, решаемая при создании настоящего изобретения, состоит в создании светодиодного излучающего устройства, эксплуатационные возможности которого, с одной стороны, сочетают в себе все достоинства ламп накаливания (например, величина светового потока, отсутствие необходимости отвода тепла), а с другой, имеют значительно больший ресурс, присущий светодиодным источникам излучения. Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, состоит в создания источника излучения, являющегося аналогом лампы накаливания со всеми достоинствами полупроводниковых излучателей света.
Для достижения поставленного результата предлагается в светодиодном источнике излучения, содержащем корпус с установленными в нем, по меньшей мере, четырьмя полупроводниковыми излучателями света оптического диапазона, объединенными последовательно электрической цепью, с присоединительными выводами и покровной линзой, согласно изобретению, электрическую схему выполнить в виде двухполупериодного моста из светодиодных источников излучения с включенной нагрузкой также из двух включенных последовательно светодиодных источников излучения, а корпус использовать в качестве радиатора для отвода тепла от базового элемента.
Предлагаемая согласно изобретению конструкция, для увеличения количества излучающих элементов предполагает возможность параллельного присоединения к каждому источнику излучения еще одного источника излучения. Таким образом, базовый элемент может состоять из шести, двенадцати, восемнадцати и т.д. источников излучения. В предлагаемой электрической схеме нет необходимости в стабилизирующих ток резисторах - система регулирует ток в зависимости от вида вольтамперной характеристики в области оптимальных токов через источники излучения. Для примера, базовый элемент, состоящий из шести чипов, в любой полуволне состоит из четырех чипов, следовательно, прямое падение на каждом чипе не может быть более 3,5 В и менее 2,5 В, а при тщательном подборе чипов по прямому напряжению и токе 0,3 А, этот разброс можно уменьшить до 10%.
Предпочтительные, но не обязательные варианты реализации заявленного светодиодного источника излучения предполагают выполнение полупроводниковых излучателей света одноцветного либо разноцветного излучения; выполнение радиатора площадью не менее 100 см2, что обеспечивает минимальную температуру p-n перехода; при необходимости, дополнительное наличие стабилизирующего сопротивления для базового элемента, что позволяет при резких изменениях напряжения в сети сохранять расчетное значение тока через p-n переход; установку покровной линзы и излучателя света с зазором друг относительно друга, в котором размещен прозрачный или рассеивающий герметизирующим эластичный компаунд, имеющий коэффициент преломления ≥1,3. Компаунд и его указанные свойства обеспечивают герметичность, увеличение выхода излучения наружу, и при изменении внешней температуры малые взаимные действующие силы; выполнение покровной линзы плоской, сферической или в виде линзы Френеля; для увеличения мощности, светодиодный источник может содержать несколько (по меньшей мере, четыре) P-N переходов, а полупроводниковые излучатели света могут быть покрыты люминофором, трансформирующим излучение полупроводниковых излучателей света в излучение белого цвета толщиной не более 1 мкм; для получения равномерного освещения от предлагаемой лампы предлагается определенная топология размещения чипов на плате - а именно отсутствие в центре чипа или чипов в зависимости от площади занимаемой окружающими чипами из условия отношения не светящейся части источника излучения к светящейся от 15 до 40%.
Изобретение поясняется рисунками, где на рис.1 и 2 приведен общий вид заявляемого светодиодного источника излучения, на рис.3-5 - примеры электрических цепей светодиодного излучателя с одним (рис.3) и несколькими (рис.4 и 5) базовыми элементами.
Светодиодный источник излучения содержит полупроводниковые излучатели света 1 одноцветного или разноцветного излучения, покрытые люминофором толщиной не более 1 мкм, трансформирующим излучение полупроводниковых излучателей света в излучение белого цвета. Излучатели света размещены на стеклотекстолитовой плате 2 с топологией (электрической цепью), объединяющей полупроводниковые излучатели света в базовый элемент.
Базовый элемент - четыре последовательно соединеных кристалла излучающих элементов, в каждой полуволне, на основе гетероструктур AIIIBV, размером 1×1 мм и прямом падении напряжения от 2,8 до 3,5 В при номинальном токе 0,35 А. Для стабилизации тока через излучающие элементы, последовательно, может быть включено сопротивление. Надежность подобно собранных ламп определяется надежностью представленных элементов и составляет порядка 50000 часов. Размер светодиодных источников излучения определяется мощностью, потребляемой лампой исходя из соотношения размеров радиатора от рассеиваемой мощности - 20 см2 площади на 1 Вт потребляемой мощности.
Конструкция включает также штатный патрон 3 для ламп освещения и корпус 4, одновременно являющийся радиатором для отвода тепла от излучателей света, которые сверху накрыты покровной линзой 5, выполняемой плоской, сферической или в виде линзы Френеля. Покровная линза и излучатели света могут быть установлены с зазором друг относительно друга, предполагающим размещение в нем прозрачного или рассеивающего герметизирующего эластичного компаунда 6 с коэффициентом преломления ≥1,3.
Вариант конструкции источника излучения предполагает исполнение его таким образом, что отношение его не светящейся части к светящейся составляет от 15 до 40%. По не светящейся частью следует понимать площадь окружности с диаметром d (рис.2), под светящейся - площадь кольца с наружным диаметром D и внутренним d.
Заявленный светодиодный источник излучения питается от общего блока питания напряжением 12 вольт, установленного в распределительном щите каждого потребителя. Наличие полупроводниковых излучателей света размером 1×1 мм2, с высоким значением кпд преобразования электрической энергии в световую, специальный радиатор, позволяющий эффективно отводить тепло от кристаллов, принципиальная электрическая схема и соотношение основных параметров базового элемента позволяют сохранить кпд и повысить эффективность светодиодного источника излучения.
1. Светодиодный источник излучения, содержащий корпус с установленными в нем, по меньшей мере, четырьмя полупроводниковыми излучателями света оптического диапазона, объединенными электрической цепью, в, по меньшей мере, один базовый элемент, держателем базового элемента с присоединительными выводами и покровной линзой, отличающийся тем, что электрическая цепь выполнена в виде двухполупериодного моста из светодиодных источников излучения с включенной нагрузкой также из двух включенных последовательно светодиодных источников излучения, а корпус служит радиатором для отвода тепла от базового элемента.
2. Источник по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковые излучатели света выполнены одноцветного либо разноцветного излучения.
3. Источник по п.1, отличающийся тем, что площадь радиатора составляет не менее 100 см2.
4. Источник по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит стабилизирующее сопротивление, установленное последовательно полупроводниковым излучателям света.
5. Источник по п.1, отличающийся тем, что покровная линза и излучатели света установлены с зазором относительно друг друга, в котором размещен прозрачный или рассеивающий герметизирующий эластичный компаунд.
6. Источник по п.5, отличающийся тем, что герметизирующий компаунд имеет коэффициент преломления ≥1,3.
7. Источник по п.1, отличающийся тем, что покровная линза выполнена плоской, сферической или в виде линзы Френеля.
8. Источник по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковый излучатель света содержит, по меньшей мере, четыре P-N перехода.
9. Источник по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковые излучатели света покрыты люминофором, трансформирующим излучение полупроводниковых излучателей света в излучение белого цвета.
10. Источник по п.9, отличающийся тем, что толщина люминофорного покрытия не превышает 1 мкм.
11. Источник по п.1, отличающийся тем, что отношение его несвятящейся части к светящейся составляет от 15 до 40%.
